基于植物群落結構的水土流失植被因子指數研究

劉 金

(朝陽縣水土保持局，遼寧 朝陽 122000)

植物群落是預測水土流失的關鍵性指標，直接影響著水土流失的預測精度，常用的水土流失預測模型如WEPP、USLE、RUSLE模型均是以植被覆蓋因子作為重要參數進行預測分析，然而對于植被因子的研究分析往往采用植被蓋度指標進行表征[1]。植被蓋度的內涵不僅僅是生態學理論的投影蓋度，在不同研究區域和研究目標體系中蓋度也會存在顯著的差異性，如王萬忠[2]等在USLE水土流失預測模型中以不同土地利用類型或植被類型為依據對植被蓋度進行賦值；王晗生[3]等利用植被防治水土流失的作用原理提出貼近地表層的植被能夠較好防治水土流失，并以此界定了貼地表蓋度的基本內涵；另外，NDVI、綠度指數等是利用遙感技術影像對植被因子蓋度進行提取的參數指標[4]。然而，植被蓋度的本質內涵并不隨表征方法的改變而改變，其本質仍以植被投影蓋度為依據，僅僅是對于不同的領域蓋度的針對性有所差異[5]。當前，對于植被蓋度的研究成果雖然為水土流失預測分析或植被恢復重建等提供了良好的決策依據和理論支持，但在實際工程應用中仍存在較多的問題，如在紅壤區出現較高植被蓋度但土壤侵蝕、水土流失嚴重的現象，并由此說明了水保效益與植被蓋度并不存在相關性關系，其原因可能是未考慮植被群落層次結構對投影蓋度的作用影響[6]。據此該研究結合植被因子研究現狀并利用植被防治水土流失的作用原理，對大凌河流域主要植物群落結構進行分析，通過構建植被因子指數模型揭示了植物群落對治理水土流失的真實作用，以期為構建理想的植被群落與水土流失關系進行精準、合理的預測提供決策依據和理論支持[7-11]。

1 研究區域概況

大凌河流域位于我國遼寧省西部，河流泥沙含量較大，受降雨量和人類活動影響較為顯著[12]，泥沙含量約為57kg/m3。流域大小支干縱橫切割交錯，地表形態破碎，全長約398km，所占面積約為2.35萬km2。大凌河流域屬于溫帶季風氣候，四季分明，日照豐富、溫差大，資料顯示9月和10月是該流域的降雨旺季，年降水量約為450～600mm，降雨時間分布不均勻，徑流量約為16.67億m3，屬于典型的低山丘陵溝壑區；流域內共有81科562種植物，植被空間分布由南至北依次為油松、遼東櫟、針葉闊葉混交林、檸條、草原過渡帶等。土質疏松、質地均勻且物理性能較差，抗風力和水力侵蝕性能低，徑流模數為35281m3/km2，水土流失嚴重流失面積占總面積的60%以上，屬于我國水土流失重點治理區域[13]。

2 研究方法

2.1 結構化植被因子指數

水土流失治理的關鍵性技術為植被的恢復重建措施，植被因子作為水保效益評價、預測水土流失的重要指標發揮著決定性作用[14]。然而，植被因子作為蓋度進行研究分析時植被蓋度受植被結構的作用影響不能進行客觀、全面的表征，進而不能很好地反映并揭示在植被蓋度相同而植被結構層次不同所引起的水土保持作用存在較大差異的機理，僅僅依靠投影蓋度并不能揭示植物群落結構差異所引起的水土流失治理效果的差異[15]。據此，文章依據植被不同垂直層次以及垂直結構特點揭示了其水土保持作用的差異，并據此給出了結構化植被因子內涵，其形式如下：

(1)

式中，ai—不同植被層的水土保持作用系數；Ci—各植被層的實際蓋度；i—喬木冠層、灌草層、草被層、枯枝落葉層以及生物結皮層。

為充分表征植被結構層的水土保持功效，生物結皮層和枯枝落葉層的水土保持功能受厚度影響程度高于蓋度，所以不僅要考慮枯枝落葉層厚度作用而且要考慮植被蓋度作用。

2.2 數據采集

對于不同植被層次的蓋度利用數字攝影與樣本調查相結合的方法進行取樣，對于喬木樣地、灌木層、枯枝落葉層、草本植被層分別采取10m×10m、5m×5m、1m×1m樣方。喬木樣方內植株相對位置利用記錄紙進行記錄，并對其冠幅進行測定；對植株的冠層投影覆蓋度利用數碼相機從上向下拍照記錄植株冠層覆蓋度進行測定。采用魚眼鏡頭對高度大于50cm的灌木進行拍攝，在對照片蓋度提取之前需對灌木記錄的照片進行正拍攝糾正；對于高度小于50的灌木其測定方向與草被層相同。采用垂直于地面拍攝記錄法對枯枝落葉層、草本植被層的厚度進行記錄，可忽略照片中心投影對草被層和喬木層照片蓋度的誤差影響，該研究對群落的傳統蓋度同時采用網格法進行測定，以便利用對比分析。

不同植被層次對水保作用系數的影響可利用徑流數據進行率定，文章以大凌河流域油松、山楊林為研究對象，參考吳欽孝等對不同處理徑流小區在松林、山楊林植被群落的測定結果對不同植被層次水保作用系數進行率定。

2.3 數據處理與分析

不同植被層的蓋度計算過程和方法存在較大差異，對于灌木層和喬木層可利用NEVI圖像處理軟件對影響信息進行分類，并利用分類處理后的統計結果可對植被像元在數碼照片上的比例進行計算，喬、灌層的實際蓋度可采用下述公式進行計算：

(2)

(3)

直接用照片解譯的蓋度表示草本群落的蓋度；枯枝落葉層的厚度是影響其水土保持作用的關鍵性因素，其厚度對水土保持效益作用程度明顯大于蓋度的作用。考慮到枯枝落葉層的生態水文在不同植被類型作用下存在一定差異，文章結合相關研究成果在算求枯枝落葉層蓋度時首先確定了在保證能夠較好地防治水土流失所需要的各枯落物最小厚度即理想厚度，其蓋度計算公式如下：

(4)

結合吳欽孝等研究成果確定山楊林和油松林的理想厚度為3cm，若理想厚度小于林下枯枝落葉層的平均厚度時，其蓋度為100%。

各植被覆蓋層的水土保持作用系數以及蓋度計算結果是計算結構化植被因子指數的前提和必要條件，據此，文章還需要對各覆蓋層的水保作用系數進行計算分析。首先，通過野外對土壤侵蝕狀況的實地調查并結合大量徑流小區觀測數據資料確定各個植被層次的相對作用系數，然后利用吳欽孝等有關植被觀測數據結果分析了4種不同處理條件下即林地去枯枝落葉層、上層林木、原狀油松林及采伐后開墾為農地的油松林產流狀況，最后利用不同處理條件下的植被蓋度計算結果求得各蓋度的相對作用系數，并利用樣方群落蓋度實測結果可對結構化植被因子指數Cs進行計算。

3 結果與分析

3.1 投影蓋度分析

投影蓋度隨植物群落的垂直結構不同存在顯著差異，該研究中對各群落結構不同層次的覆蓋度分別采用公式(2)和(3)進行求解，對草被群落和喬灌群落的蓋度分別采用傳統的網格法和目估法進行測定，結果詳見表1。

由表1計算結果可知，灌木層很少出現在油松與刺槐群落中，群落垂直結構的主要組成部分為草被層和喬木林冠層；而對于闊葉喬木林群落的主要組成部分為草被層、林冠層、闊葉和灌木層；植被群落蓋度的關鍵性組成部分為喬木層，喬木層覆蓋度直接影響到草被層和灌木的覆蓋度，喬木層蓋度越小則下部的草被或灌木層的蓋度越高；而其他的植被群落中，灌木層對下部的草被層蓋度影響較為顯著，二者表現出負相關性，即灌木層蓋度越大則草被層蓋度越小。綜上，草被層蓋度不僅受到灌木林作用的影響，而且喬木林也會對其造成影響，草被群落蓋度通常很難達到灌木林或喬木林下方蓋度最大值。由此可知，灌木層和喬木林冠層蓋度值構成植被群落蓋度的關鍵性因素，而傳統的生態學蓋度取決于植被群落結構中蓋度較高的那層是群落的總蓋度。通常情況下，植被結構中覆蓋度較高層的照片投影蓋度往往會低于群落蓋度，然而二者并未存在必然的關聯性，不能直接進行大小比較。據此，文章針對結構中各層次結構的蓋度的差異充分考慮了植被結構中重疊部分蓋度信息對水土流失防治作用，該方法能夠更加準確、可靠地反映植被結構層次的水土保持作用。

表1 植被群落的生態學蓋度計算結果 單位：%

3.2 水土保持作用系數分析

結合相關文獻資料對油松林的實際蓋度分布狀況描述，原狀山楊林和油松林的郁閉度均為0.6，枯枝落葉層厚度和林下灌草蓋度分別為2～3cm和30%。由于草被層與矮小灌木較難分開，故該研究采用草本層代表林下灌木與草被層。枯枝闊葉林和原狀油松林的減流率利用植被層徑流現狀進行計算，分別為58.26%和87.57%，而冠層減流率可采用上層林木初期徑流觀測結果進行計算為1.68%，同理可求得其他各層次減流占比。植被結構層中各層次蓋度的權重應結合群落具體覆蓋狀況進行計算，結果詳見表2。

表2 植被群落結構化植被因子權重系數計算結果

油松林和山楊林的結構化植被因子指數可分別采用下式進行表述：

Cs=0.0160x1+0.605x3+0.386x4

(5)

Cs=0.0604x1+0.827x3+0.115x4

(6)

3.3 植被因子指數分析

根據不同層次的植物蓋度值和作用系數計算結果，并利用文中所述公式(5)和(6)可進行大凌河流域山楊林和油松林結構化植被因子指數計算，計算結果詳見表3。

由表3計算結果對比分析油松林1和2可知，二者的傳統群落蓋度計算結果相差不大，而結構化因子指數確存在顯著差異，其原因可能是枯枝落葉層覆蓋狀況的不同而引起的計算結果的差異；對比分析油松林3，4，5和1，2，6因子指數可知，油松群落結構化植被因子指數與油松林草被覆蓋度密切相關，草被覆蓋度是影響Cs的關鍵性因素，其原因為草被層明顯大于枯枝落葉從和林冠層的作用系數；假定山楊1和油松7群落的蓋度相同，但二者的Cs計算結果存在較大差異，其原因為山楊和油松群落各結構層次的水保性能存在一定的差異。山楊3因具有較高的植被蓋度，故其Cs值明顯大于山楊群落4。對比分析山楊3，5和2，4可知，植被群落垂直層次間的合理搭配是獲取理想Cs并提高植被群落水土保持效益的關鍵。采用一維的生態學蓋度對植被水土流失作用進行描述是片面的、不充分的，植被群落各垂直結構層次均可對水土流失治理發揮效用，而各層之間效用大小、作用機理不同，不可采用綜合蓋度進行替代。Cs作為理想植被可避免傳統的生態學蓋度的不足和缺陷，可對植被蓋度各垂直層次的水土保持作用進行綜合的表征，其分析結果更加精準、可靠，具有較好的實際意義和應用價值。

4 結論

(1)采用一維的生態學蓋度對植被水土流失作用進行描述是片面的、不充分的，植被群落各垂直結構層次均可對水土流失治理發揮效用，而各層之間效用大小、作用機理不同，不可采用綜合蓋度進行替代。

(2)Cs作為理想植被可避免傳統的生態學蓋度的不足和缺陷，可對植被蓋度各垂直層次的水土保持作用進行綜合的表征，其分析結果更加精準、可靠，具有較好的實際意義和應用價值。

(3)進一步建立結構化植被因子指數與植被保水保土作用的關系，并將其應用于土壤侵蝕預測模型與植被抗侵蝕功能快速評價中，是研究的最終目的。研究所構建的模型只是對植被結構各層次的綜合作用的初步探討和考慮，對層次結構僅僅是簡單的疊加，而對各層次之間的耦合作用對水土流失控制的作用影響還有待更深一步的探討研究。